基于容器分區(qū)處理探究黑麥草生長對喀斯特不同土壤生境和水分的響應(yīng)

宋海燕,張 靜,李素慧,梁千慧,李若溪,陶建平,劉錦春

三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶市三峽庫區(qū)植物生態(tài)與資源重點實驗室,西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 重慶 400715

喀斯特地區(qū)巖石裸露,巖溶強烈發(fā)育,地表巖溶裂隙、溶洞、漏斗與地下巖溶管道構(gòu)成立體滲漏型水文網(wǎng),導(dǎo)致地表蓄水、保水條件極差而地下水深埋,形成該地區(qū)特有的“巖溶干旱”現(xiàn)象[1- 3]。同時,由于特殊的地貌地質(zhì)結(jié)構(gòu),喀斯特地區(qū)造壤能力很低,成土慢而流失快,土層淺薄、分布不連續(xù),異質(zhì)性高[4- 5]。土壤的淺薄和強烈異質(zhì)性也進一步加劇了喀斯特地區(qū)的“巖溶干旱”[6- 7]。因此,土壤厚薄(或多少)以及所能涵養(yǎng)的水分共同作用,是該地區(qū)植物生長發(fā)育和繁殖的關(guān)鍵因素。

土壤為植物提供營養(yǎng)和水分,也為植物根系提供“生長空間”,對植物的生長發(fā)育起著至關(guān)重要的作用。在相同條件下,土體越厚,容積越大,土壤保水保肥能力越強,為植物提供的生長空間也越大,因而有利于植物的生長和生物量的積累[8- 11]；相反,淺薄土層中,土壤本身貯水能力較弱,蒸發(fā)量大,土壤養(yǎng)分也極易流失,因而生長在淺土中的植物容易受到缺水缺肥的負面影響[12- 13]。同時,淺層土壤因無法為植物根系提供足夠的生長空間而限制根系向深層土壤的縱向拓展,從而最終影響植物整株水平的生長[14- 15]。因此,有研究者認為,植物的生長空間對植物根系的影響在一定范圍內(nèi)甚至超過土壤資源條件對植物的影響[16]。Pooter等[17]研究中也發(fā)現(xiàn),當(dāng)植物生物量(干重)與根系可拓展空間的比值大于2 g/L時,植物生長將受到嚴(yán)重影響。

目前,已有大量研究關(guān)注了喀斯特地區(qū)巖溶干旱對植物的影響,也有研究者逐漸關(guān)注土被厚薄不一對植被立地的影響和植物生長的影響[9,18- 19]。但喀斯特石面、石洞等小生境帶來的土壤分布高度異質(zhì)既會造成土層厚度的不一,也會形成不同形狀的可拓展空間,這對植物根系拓展是否會產(chǎn)生影響？尤其是當(dāng)植物面臨土壤資源總量相等但土層厚度不一且可拓展空間不一致時,根系會如何“覓食”？結(jié)合該地區(qū)降雨背景,水分條件的改變又是否會影響根系對不同土壤生境的響應(yīng)？ 根系在面臨不同土壤生境時,通常生理可塑性先出現(xiàn),并可能作為局部土壤資源改變的信號,引發(fā)產(chǎn)生新根,促進或抑制根系生長,表現(xiàn)出形態(tài)可塑性[20],且產(chǎn)生形態(tài)可塑性的可以是一部分根。當(dāng)同株植物根系分布于不同土壤小生境中時,根系形態(tài)可能會表現(xiàn)出一定差異。由此,我們選擇根系發(fā)達,具有適應(yīng)性廣、抗逆性強特點的黑麥草(LoliumperenneL.)作為試驗材料[21],通過模擬上述生境所構(gòu)成的不同土壤厚度和根系可拓展空間,以分區(qū)容器種植實現(xiàn)分根的方法,探討不同水分條件下,土壤厚度、根系拓展空間對植物根系生長的影響,以驗證以下假設(shè):

1)物理空間、土層厚度會影響植物根系生長,且根系會更傾向于在所提供的更深容器中生長。

2)水分條件會影響植物根系對物理空間的響應(yīng),且水分條件越接近干旱脅迫,根系在較深容器中優(yōu)勢越明顯。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為多年生黑麥草(L.perenne)。供試土壤為黃色石灰土,取自重慶市沙坪壩區(qū)中梁山。土壤基本理化性質(zhì)為：pH值為7.57,有機質(zhì)(0.273±0.06)%,全氮(0.283±0.00)g/kg,速效鉀(111±10)mg/kg,有效磷(0.002±0.00)g/kg,全鉀(19.61±0.99)g/kg,全磷(0.871±0.02)g/kg,田間持水量為(38.7±0.01)%(質(zhì)量含水量)。

1.2 研究方法

實驗采用土層深度和水分處理的雙因素隨機區(qū)組試驗。不同的土層深度由三種不同規(guī)格的紙箱容器實現(xiàn),分別為對照CK(長×寬×高,下同)：10 cm×10 cm×15 cm,淺層土S：22.3 cm×22.3 cm×3 cm,深層土D：5 cm×5 cm×60 cm。容器兩兩并列組合為六種處理(CK-CK,CK-S,CK-D,D-D,S-D,S-S),組合容器時使開口面中心保持在同一直線上,容器底部不齊的處理用紙箱墊高使容器開口面保持在同一水平上,每個處理填充干土共3000 g(每個分區(qū)各1500 g)。水分處理設(shè)置為高水對照(W0),中水處理(W1)及低水處理(W2)。重慶市沙坪壩區(qū)30年內(nèi)4—6月的月平均降雨量119.58 mm,按對照容器規(guī)格計算出的平均每日降雨量作為對照日澆水量(120 mL),每3天澆水一次。即每次水分處理中高水對照W0澆水量為360 mL,中水W1澆水量為對照W0的50%,即180 mL,低水W2澆水量為對照的20%,即72 mL。組合容器兩區(qū)等量澆水。通過對土壤含水量的跟蹤測定,3種澆水量分別符合Hisao[22]對水分程度劃分的水分飽和、中度干旱和重度干旱。

2015年1月14日,于西南大學(xué)生態(tài)園陽光棚內(nèi)播種。2015年3月25日,挑選生長良好且長勢相近的植株單株種植于組合容器交界處,根系均分于組合容器兩個分區(qū)。待移栽苗全部存活且適應(yīng)生長一段時間后,于2015年4月13日開始水分處理。實驗共設(shè)8個重復(fù),處理時間為60 d,于2015年6月11日收獲并測定指標(biāo)。

1.3 測定方法與數(shù)據(jù)處理

形態(tài)指標(biāo)測定：植物根系采用沖洗法,用流水對整株植物進行沖洗,以保存根系的完整性。使用數(shù)字化掃描儀(STD1600Epson USA)掃描植物根系及植物部分葉片,保存圖像,用win. Rhzo(Version 410B)根系分析系統(tǒng)軟件(Regent Instmment Inc,Canada)對植物葉片表面積,根系總面積,根系長度,根體積等進行定量分析。

生物量測定：將植物根系及地上部分放入信封中,于105℃殺青15 min,80℃烘干至恒重。稱取各部分干重,獲得根生物量、地上生物量,計算總生物量及根冠比。

采用SPSS(SPSS 20.0 for windows,SPSS Inc Chicago,USA)進行雙因素方差分析(Two-way ANOVA)分析土層深度和水分條件對黑麥草生長指標(biāo)及生物量的影響。

2 研究結(jié)果

2.1 黑麥草根系在不同容器組合及其分區(qū)中的生長

2.1.1根長、根直徑、根表面積

在高水對照條件下,當(dāng)容器處理中組合了淺土或深土容器時,根系生長指標(biāo)(根長、根系直徑、根表面積)與對照(CK-CK)相比,均受到不同程度的抑制,且有淺土容器的組合處理(S-S,S-D,CK-S)受抑制程度大于有深土容器的組合處理(CK-D,D-D)。然而,當(dāng)水分含量降低后(即中水和低水條件下),有深土容器的組合[D-D和(或)CK-D]根系生長指標(biāo)與對照相比顯著增加,而有淺土容器的組合[S-S和(或)CK-S]根系生長指標(biāo)與對照相比顯著降低(圖1)。雙因素方差分析表明容器規(guī)格和水分處理對植物根系生長指標(biāo)具有顯著的交互作用(表1)。

圖1 不同水分條件下不同深度容器處理對黑麥草根長、根表面積、根系直徑的影響Fig.1 The influences of different depth of container treatment on root length and root area surface and root diameter of L. perenne under different water conditions不同小寫字母表示各容器處理間的差異顯著性(P<0.05)；**表示處理間有極顯著性差異(P<0.01),ns表示處理間無顯著性差異；圖中白色柱狀圖代表容器組合命名中的下邊分區(qū),陰影部分代表上邊分區(qū)；W0：高水對照,sufficient water control；W1：中水處理,medium water treatment；W2：低水處理,low water treatment；CK-CK：對照容器-對照容器,control container-control container；CK-S：對照容器-淺土容器,control container-shallow container；CK-D：對照容器-深土容器,control container-deep container；D-D：深土容器-深土容器,deep container-deep container；S-D：淺土容器-深土容器,shallow container-deep container；S-S：淺土容器-淺土容器,shallow container-shallow container

方差來源 Sources of variationF根長 Root length根表面積 Root surface area根直徑Root diameter 容器 Container123.083??66.556??10.231??水分 Water34.168??3.662?0.056ns容器×水分 Container×water34.620??18.590??5.325??

**表示處理間有極顯著性差異(P<0.01),ns表示處理間無顯著性差異

對比同一處理不同容器分區(qū)中黑麥草生長情況發(fā)現(xiàn),任何水分處理下,黑麥草根系生長指標(biāo)(根長、根系直徑、根表面積)在CK-CK,D-D和S-S處理的左右分區(qū)內(nèi)沒有顯著差異,兩區(qū)內(nèi)基本維持在總量的50%左右,但在CK-S,CK-D和S-D處理的左右分區(qū)內(nèi)差異顯著。當(dāng)CK與淺土S容器組合時,在3種水分條件下S區(qū)根系生長均受到嚴(yán)重抑制；當(dāng)CK與深土D容器組合時,在高水對照條件下D區(qū)生長受到抑制,但在水量減少至脅迫時,D區(qū)的根系增長優(yōu)勢顯著；當(dāng)淺土S和深土D容器組合時,在高水對照條件下,淺土S區(qū)根系生長占優(yōu)勢,深土D區(qū)受到抑制,但當(dāng)水分減少至脅迫時,D區(qū)根系生長占顯著優(yōu)勢,S區(qū)抑制嚴(yán)重(圖2,表2)。

2.1.2根生物量

在任何水分處理下,當(dāng)容器處理中組合了淺土或深土容器時,根生物量與對照(CK-CK)相比,均有不同程度的下降。但有深土容器的組合處理(CK-D,D-D)下降幅度低于有淺土容器的組合處理(S-S,S-D,CK-S)。相同容器處理下,隨著水分含量的降低,根系生物量有增加的趨勢(圖2)。

在任何水分處理下,黑麥草的根系生物量在CK-CK,D-D和S-S處理的左右分區(qū)內(nèi)基本維持在總量的50%左右。但在CK-S,CK-D和S-D處理的左右分區(qū)內(nèi)差異顯著。CK-S處理中,任何水分條件下S區(qū)的根系均受到抑制,其根生物量分別占兩區(qū)總量的16%、18%和27%。CK-D處理中,高水對照條件下D區(qū)根系明顯受到抑制,其根生物量只占兩區(qū)總量的9%,隨著水分降低至脅迫時,D區(qū)根系受到的抑制逐漸減輕,在低水條件下抑制解除,其根系生物量占比達51%。S-D處理中,高水對照條件下D區(qū)根系受到抑制,其根系生物量占比為33%,但當(dāng)水分減少至脅迫時,D區(qū)根生物量顯著增加,在中水和低水條件下分別增至82%、78%(表2)。

圖2 不同水分條件下不同深度容器處理對黑麥草根生物量的影響Fig.2 The influences of different depth of container treatment on root biomass of L. perenne under different water conditions 不同小寫字母表示各容器處理間的差異顯著性(P<0.05)；**表示處理間有極顯著性差異(P<0.01),ns表示處理間無顯著性差異

指標(biāo) Index處理TreatmentCK-CKD-DS-SCK-SCK-DS-DCKCKDDSSCKSCKDSD根長W051 494357495186149288119Root lengthW14951544649519735941496W261 3950504753782250501981根生物量W045555149534784169196733Root biomassW1495150503961821868321882W248 5257434456732749512278

W0：高水對照,sufficient water control；W1：中水處理,medium water treatment；W2：低水處理,low water treatment；CK：對照容器,control container；D：深土容器,deep container；S：淺土容器,shallow container；CK-CK：對照容器-對照容器,control container-control container；CK-S：對照容器-淺土容器,control container-shallow container；CK-D：對照容器-深土容器,control container-deep container；D-D：深土容器-深土容器,deep container-deep container；S-D：淺土容器-深土容器,shallow container-deep container；S-S：淺土容器-淺土容器,shallow container-shallow container

2.2 容器組合處理對黑麥草生物量積累和分配的影響

2.2.1總生物量

在任何水分處理下,當(dāng)容器處理中組合了淺土或深土容器時,黑麥草總生物量與對照(CK-CK)相比,均有不同程度的下降。但組合了深土容器的組合處理(CK-D,D-D)下降幅度低于組合了淺土容器的組合處理(S-S,S-D,CK-S)。雙因素方差分析表明容器規(guī)格和水分處理均對總生物量有顯著交互作用(表3)。

在高水條件(W0)下,黑麥草的總生物量在組合了淺土和深土容器的處理中顯著降低(P<0.05),其降低順序表現(xiàn)為S-S>S-D>CK-S>CK-D>D-D,降低幅度分別為80%、77%、64%、46%和36%。并且,有淺土容器組合的處理(S-S、S-D、CK-S)中黑麥草總生物量顯著低于有深土容器組合處理的值；水分降低為中水條件(W1)時,組合了深土D容器的處理(CK-D、D-D)中黑麥草總生物量顯著高于有淺土S容器的組合(CK-S、S-D、S-S)。且CK-D處理下總生物量相比對照組顯著增加了167%(P<0.05),而組合了淺土S容器的組合(S-D、S-S)總生物量顯著低于對照,其降低幅度分別為48%和71%；低水條件(W2)下,S-D處理下的總生物量顯著高于對照(P<0.05),其增加幅度達101%,但S-S容器處理中黑麥草總生物量顯著降低了66%。D-D、CK-D和CK-S處理下的總生物量與對照組相比無顯著差異(圖3)。雙因素方差分析表明容器深度處理、水分處理以及二者的交互作用對植物總生物量的影響均具有顯著性(表3)。

表3 黑麥草生物量及生物量分配的雙因素方差分析

**表示處理間有極顯著性差異(P<0.01),ns表示處理間無顯著性差異

圖3 不同水分條件下不同深度容器處理對黑麥草總生物量和根冠比的影響Fig.3 The influences of different depth of container treatment on total biomass and root shoot ratio of L. perenne under different water conditions 不同小寫字母表示各容器處理間的差異顯著性(P<0.05)

2.2.2根冠比

在高水條件(W0)下,除CK-D處理下黑麥草的根冠比顯著降低外,其余容器處理中的根冠比均未受到顯著影響(P<0.05)；在中水條件(W1)下,組合了深土容器的處理根冠比均有升高的趨勢,其中D-D容器處理中的根冠比比對照水平顯著增加了88%(P<0.05),而其他容器處理中的根冠比未受到水分降低帶來的影響；在低水條件(W2)時,具有淺土容器的處理S-D、CK-S、S-S中黑麥草的根冠比均顯著降低(P<0.05),其降低幅度分別達到了62%、57%和42%(圖3)。雙因素方差分析表明,容器處理及水分與容器處理的交互作用對植物根冠比的影響具有極顯著性(表3)。

3 討論與結(jié)論

在對照水分條件下,無論容器處理中組合淺土容器還是深土容器,黑麥草的根系生長(根長、根直徑、根表面積)均受到一定程度的抑制,但組合了淺土容器的處理受抑制程度大于組合了深土容器的處理。這表明在水分資源充足情況下,根系拓展空間是影響黑麥草根系生長的主要限制因子。研究表明,黑麥草的根系生長和生物量積累在0—15 cm的土層中表現(xiàn)較好[23]。淺土容器土層淺薄,不利于根系的縱向拓展,而深土容器太窄不利于根系的橫向拓展,因而,淺土和深土容器相對于對照容器,均成為了限制性的容器,不利于根系的生長。

在水分減少條件下,有淺土容器組合的處理根系生長依然受到抑制,但有深土容器組合的處理其根系生長發(fā)生了變化,即受到促進。由于水分減少,各厚度土層的土壤水分狀況既受到外部供水的制約,也受到自身水分貯藏能力的影響。淺土貯水能力低,蒸發(fā)面積大,而深土相反,水分貯藏能力更大卻有極小的蒸發(fā)面積,因而造成淺土容器的干旱脅迫程度會明顯高于對照容器和深土容器。一般認為,適度的干旱會誘導(dǎo)植物根系伸長生長,但嚴(yán)重干旱時,根系生長會受到抑制[24- 26]。因此,外部供水減少、自身水分貯藏能力不夠使得淺土容器對黑麥草造成了嚴(yán)重干旱,再加上空間限制,導(dǎo)致黑麥草根系在淺土容器組合中受到嚴(yán)重抑制,而深土容器卻因為較高的水分貯藏能力和較低的水分蒸騰散失使其土壤水分保持在“適度”范圍內(nèi),從而誘導(dǎo)了根系的生長。

在異質(zhì)生境中,植物根系主動向水分充足的地方生長以維持自身需求,是根系典型的向水性運動[27- 28]。在對照水分條件下,盡管施水量一致,但由于容器規(guī)格的不同,不同容器中的含水量也存在一定的差異,造成組合容器左右分區(qū)的“異質(zhì)性生境”。淺土容器貯水能力弱,蒸騰耗散強,其土壤含水量與對照相比,屬于“偏旱”生境；而深土貯水能力強,蒸騰耗散弱,屬于“偏濕”生境。對照容器CK與淺土容器S組合,S區(qū)根系生長受到抑制?？梢?黑麥草根系確實發(fā)生了向水性生長,即將更多的根系生長投放在土壤水分更多的CK區(qū)；然而,當(dāng)對照容器CK或淺土容器S與深土容器D組合時,深土容器D區(qū)根系生長卻受到抑制,根系并沒有向著“偏濕”的深土生境發(fā)展,這時“空間限制”比水分對根系的影響更大。但在水分含量降低后,對照容器CK與淺土容器S組合,S區(qū)根系生長仍然受到抑制,表明S區(qū)根系生長受到 “干旱”和“生長空間”雙重限制,根系向水性生長更加顯著。當(dāng)對照容器CK或淺土容器S與深土容器D組合時,深土D區(qū)根系由受抑制轉(zhuǎn)為占據(jù)顯著優(yōu)勢。當(dāng)水分充足時,植物可以獲取到足夠的水分和養(yǎng)分,因此不需要額外增加根系投入,從而更偏向于較淺的土壤；當(dāng)處于干旱脅迫下,伸長根系至較深的土壤以獲取更多的水分和養(yǎng)分資源成為生存必要,根系的向水性生長的特性也就凸顯出來。這與我們的假設(shè)一致,在水分條件越接近脅迫時,根系生長在深土中更有優(yōu)勢。植物這種可以促進根系在較深土層中繼續(xù)生長的能力是適應(yīng)干旱環(huán)境的重要特性[29- 30]。

植株地上部冠層和地下部根系是相互作用的共同有機體,土壤異質(zhì)性和水分脅迫作為影響植物生長發(fā)育的主要因素,影響植物的生長生理過程,最終以植物各部分生物量的積累體現(xiàn)出來[31]。本實驗中,生物量積累與根系生長表現(xiàn)為相同趨勢,即在水分條件較好時,深土或淺土容器帶來的物理空間限制顯著抑制了黑麥草生物量積累,這與陳斐等[19]人對春小麥的研究結(jié)果相符,再一次證明了“生長空間限制”的負面影響。

在水分減少的條件下,組合了淺土容器的生物量積累依然受到抑制,但具有深土處理的容器組合會對黑麥草生物量積累產(chǎn)生促進作用。水分脅迫發(fā)生時,深土容器具備的儲水能力優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)出來,植物將大量的同化產(chǎn)物運往根系,以調(diào)整根系結(jié)構(gòu),改善其功能從而增大水分的吸收量,緩解植株由于缺水造成的損失,這也是組合了深土容器的處理在水分減少時,根系生物量有增加趨勢的原因。而淺土容器中,植物根系無法獲得充足的水分,因此生物量積累明顯降低。這與冬小麥在不同土壤水分下的表現(xiàn)一致[32],表明在水分減少的情況下,水分條件已經(jīng)替代土壤物理空間成為限制植物生長的主要因子。與深土容器相比,淺土容器因其較大蒸發(fā)面積、較小貯水能力又加劇了生境干旱,而深土容器在能夠提供更多水分條件的基礎(chǔ)上,又給予根系縱向生長空間,因而更利于植物根系生長和生物量積累。

根、冠關(guān)系是植物受遺傳和環(huán)境因素表現(xiàn)出的互作綜合效應(yīng)。在水分條件充足時,物理空間并未對根冠比產(chǎn)生顯著影響。但當(dāng)水分條件降低,具有深土容器組合的處理其根冠比有升高的趨勢,這表明植物受到水分脅迫,會協(xié)調(diào)根、冠分配比例,將更多的同化物投資到根系,促進根系伸長以獲取水分。一方面,在較深的土壤中,植物的根系會快速的深入土層以獲取更多的水分和養(yǎng)分,從而促進植物生長；另一方面,在土層淺薄不一時,植物的水平延展性會收縮[33],且植物會優(yōu)先分配更多的資源到較深土層的根系,加速生長以抵抗干旱脅迫,因此,S-D容器組合中的生物量在水分較少時反而會增加更多。而組合了淺土容器的處理中,物理空間限制了根系的縱向生長,當(dāng)水分條件減少時,淺土容器又將加劇生境干旱,植物根系生長和生物量積累均受到顯著抑制,植物不得不將有限的同化物更多地分配給地上,盡量保證植物存活。

總之,物理空間、土層厚度的改變影響了植物的根系生長和生物量的積累與分配,這種影響在不同水分條件下又會產(chǎn)生不同的效應(yīng)。當(dāng)水分條件較好時,黑麥草主要發(fā)展淺層根系,在淺層土壤中就能獲得足夠的水分。但當(dāng)干旱脅迫存在時,黑麥草根系在淺層土壤中無法獲取供給生長代謝活動的足量水分,更傾向于將有限的有機物分配給根,通過根系伸長、表面積和體積增大、直徑增粗等策略加強水分的吸收,從而增強對干旱的抗逆性,提高對土壤和水分異質(zhì)性的適應(yīng)。